Цифровые устройства на Д-криотронах

Как уже показано выше, на криотронах удобно реализуются логические схемы, в частности, по двухпроводной системе, в которой каждая переменная А представляется парафазным кодом, т.е. ток течет по одной из двух шин А или Ā. Парафазная система имеет преимущества перед однофазной в надежности и помехоустойчивости. В этой системе легко организовать контроль или восстановление ошибочных кодов благодаря значительной структурной и информационной избыточности. Кроме того, парафазная система в криотронных цепях позволяет обеспечить энергонезависимость, т.е. сохранение информации в виде циркулирующих токов при отключении источника питания. Инверторы в парафазной системе не нужны, т.к. отрицание легко обеспечить, поменяв местами два провода данной переменой. Коэффициент разветвления логических схем может быть весьма большим

На рис. 3.8 представлены некоторые варианты конструкций криотронов, выполняющих логические функции и форма управляющих характеристик.

Рис. 3.8. Организация логических функций на многоходовых криотронах:
а – двухфазовый с симметрическим подводом тока; b, с – двух- и трехфазовый с несимметричным подводом тока

Конструкция криотронов обеспечивает алгебраическое суммирование воздействия управляющих токов в управляющих шинах-затворах. Первый вариант (рис. 3.8, а) обладает симметричной характеристикой с коэффициентом усечения по току – 2. Если выбрать рабочий ток I_q=2/3 I_С0, то криотрон переключается при подаче тока любой полярности по одному из входов (а→в,в’).

При подаче токов I_С1 I_С2 разной полярности переключения не происходит, при одинаковой полярности криотрон переключается (а→c,c’).

Другие варианты криотрона (рис. 3.8, b, с) отличаются асимметричной характеристикой и позволяют получить переключение криотрона с порогом срабатывания, который не зависит от вентильного тока (левая часть характеристики). Криотроны, имеющие три шины управления (рис. 3.8, с), при уровне рабочего тока I_q=2/3 I_С0 и соответствующей полярности переключаются при наличии управляющего тока, по крайней мере, на двух входах (а→c,d) и не переключаются при наличии тока только на одном входе (а→в).

Основной задачей при создании криотронных элементов логики и памяти является получение криотрона, характеристика управления которого (т.е. зависимость критического тока контакта от тока в управляющей шине) имела бы с точки зрения схемотехники выпуклую форму, близкую к прямоугольной, усиление по току более двух и малый остаточный ток. Для этого следует выбирать такую конструкцию контакта и подводящих шин, чтобы обеспечить пороговый характер переключения криотрона при возрастании тока управления.

Джозефсоновские логические устройства построены в основном на элементах, общая схема которых приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Джозефсоновский логический элемент с резистивной нагрузкой

К источнику питания последовательно с ограничивающими резисторами подключен джозефсоновский вентиль D₁, зашунтированный выходной шиной. В качестве вентиля используется либо одиночный джозефсоновский контакт, либо несколько контактов, соединенных друг с другом.

При отсутствии входных сигналов критический ток вентиля I_С0 превышает ток источника питания I и вентиль остается открытым. Если входные переменные поступают на входы x,y в сочетании, соответствующем выполняемой логической функции, критический ток становится ниже тока питания и вентиль запирается. В результате этого часть тока источника питания ответвляется в нагрузку и является входным сигналом для следующего элемента D₂. Входной сигнал действует на вентиль либо за счет создаваемого магнитного поля, либо инжекцией дополнительного тока непосредственно в джозефсоновский контакт.

Первой функционально полной системой логических элементов на эффекте Джозефсона стала джозефсоновская туннельная логика, базовый логический элемент которой изображен на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Схема базового логического элемента джозефсоновской туннельной логики

Базовый элемент состоит из туннельного криотрона К₁, вентиль которого зашунтирован выходной ветвью, выполняющей роль затвора в других криотронах (К₂, К₃). Схема располагается над сверхпроводящим экраном, так что все ее проводники представляют собой полосковые линии. Выходные полуветви ав и cd нагружены на согласующее сопротивление.

Асимметрия характеристики управления продольного криотрона дает возможность реализовать как элементы ИЛИ (токи I и i направлены в одну сторону), так и элементы И и мажоритарные элементы при встречном направлении токов. Если затвор выходного криотрона включить в ветвь ас, то указанные элементы можно дополнить инвертором.

Джозефсоновская элементная база может быть эффективно использована лишь в том случае, если она позволяет создавать не только логику, но и память.

Существует большое разнообразие элементов памяти, но с одной и той же основой. В каждом таком элементе имеется сверхпроводящий контур, в который записывается циркулирующий незатухающий ток. Запись циркулирующего тока осуществляется с помощью включенного в контур управляемого вентиля, запирание которого равнозначно потере сверхпроводимости в контуре. В качестве вентиля может быть использован туннельный криотрон.

Квантроны

Существует два способа использования джозефсоновских элементов в цифровых устройствах в ячейках логики и памяти вычислительных систем. При обоих способах единица информации организуется в виде тока в сверхпроводящем контуре, джозефсоновские элементы используются для управления этими токами их генерации, переключения, уничтожения. Отличие способов состоит лишь в величине магнитного потока, находящегося в сверхпроводниковом контуре.

Если единица информации запоминается током I в контуре с индуктивностью L так, что LI>>Ф₀, где Ф₀ – квант магнитного потока, эффект квантования практически не сказывается на работе устройства. При этом управляющие элементы называют криотронами, такие элементы мы рассматривали в предыдущих разделах (п.п. 3.3.1, 3.3.2).

Если LI ≈ Ф₀, единицы информации записываются одиночными квантами магнитного потока, что вызывает принципиальные изменения в построении цифровых устройств. Все устройства на одиночных квантах магнитного потока можно разбить на две группы: устройства на дискретных джозефсоновских переходах и устройства на распределенных переходах. Здесь мы рассмотрим особенности работы устройств первой группы, поскольку в технологии создания однородных качественных ВТСП распределенных переходов сегодня имеются нерешенные проблемы.

В устройствах на дискретных переходах используется эффект квантования магнитного потока (п. 1.2). Наиболее простая конфигурация, в которой наблюдается это явление, представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала, в которое включен джозефсоновский переход. Максимальное количество квантов потока, которое может содержаться в кольце, определяется величиной критического тока контакта I_С0 и индуктивностью кольца L:

N=I_С0L/Ф₀. (3.22)

Очевидно, что такое кольцо может находиться в (2N+1) состояниях. Именно эти состояния кольца с током и могут использоваться для хранения информации.

Удобным для практической реализации является универсальный переключательный элемент, получивший название параметрический квантрон(рис. 3.11, а).

а) б)

Рис. 3.11. Параметрический квантрон: а – эквивалентная схема; б – зависимость полного магнитного потока от внешнего потока

Квантрон представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала 1 замкнутое, управляемым джозефсоновским переходом – криотроном 2. С кольцом гальванически или индуктивно связаны шина смещения 3, шины записи и считывания 4. Квантрон работает следующим образом. По шине смещения пропускают ток такой величины, чтобы его магнитный поток Ф_см сместил состояние равновесия в точку Ф₀/2 (рис. 3.11, в). Как видно из рисунка, это состояние может быть устойчивым при I_С0=I_{С0 min} (кривая 1) или неустойчивым при I_С0=I_{С0 max} (кривая 2). Направление тока в контуре будет определяться знаком дополнительного потока ΔФ, вызванного, например токами, текущими в соседних контурах гальванически или индуктивно связанных с данным контуром. Таким образом, можно осуществить запись в контур состояния, соответствующую знаку ΔФ, т.е. элемент осуществляет мажоритарную функцию. На этом элементе можно реализовать любые логические функции. Существенным является то, что в рассмотренном квантроне критический ток может быть весьма малым (10 мкА). Это вызвано тем, что в данном случае не требуется большого коэффициента усиления.

Одним из вариантов квантрона с расширенными функциональными возможностями является логический элемент, содержащий дополнительный джозефсоновский переход в контуре, с которым связана дополнительная шина управления (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Инжекционный квантрон

Поскольку шина управления связана с контуром гальванически, ток управления вводится в контур непосредственно т.е. инжектируется. Поэтому рассматриваемый квантрон можно назвать инжекционным квантроном. Гальваническая связь, в отличие от индуктивной, позволяет осуществить связь с контуром малых размеров. Кроме того, гальваническая связь позволяет создать шины управления и сам сверхпроводящий контур в одном слое, что заметно упрощает технологию изготовления таких элементов.

Рассмотренные элементы с параметрическим управлением обладают минимальной энергией переключения, ограниченной лишь квантовыми эффектами.